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dc.contributor.advisor 김회준 -
dc.contributor.author Il Ryu Jang -
dc.date.accessioned 2020-06-22T16:01:17Z -
dc.date.available 2020-06-22T16:01:17Z -
dc.date.issued 2020 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/common/orgView/200000286458 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/11972 -
dc.description QCM, CNTs, Q, adhesion parameter -
dc.description.abstract ABSTRACT
This study proposes the utilization of Quartz Crystal Microbalance (QCM) for measuring masses of in-liquid particles. A QCM has been widely used as gas sensors, biosensors, and thin-film monitoring system because it shows high sensitivity, high resolution, and non-destructive tests in situ. However, measuring particle mass or concentration in liquid solution becomes more challenging due to complex fluidic motion in droplet, nucleation mechanism, and particle sliding effect in the evaporation process. In an effort to overcome such limitations, we decorated Carbon Nanotube (CNT) film on our sensors. A layer of CNT creates a surface roughness on QCMs. This roughness affects nucleation mechanisms of ionized droplet and particle sliding effect in the evaporation process. Ultimately it could enhance adhesion parameters for a stable operation of QCM. Additionally, CNT coated QCMs (CNT-QCMs) show a wide detectable range of over 10 μg with 40 pg Limit of Detection (LOD). CNT-QCMs also exhibit higher Quality factor (Q) values compared to bare QCMs. Such improvement in Q also reduces the power consumption and noise level of QCM integrated oscillator system.
In addition, we have verified frequency response of QCM system under environmental disturbances, such as humidity and temperature. To verify humidity dependency of QCM particle mass sensor, we have experimented wet particle and dry particle generated from electrospray system with a heating system. Our results indicate that QCMs become unreliable for measuring hygroscopic particles with increasing relative humidity. In addition, our study reveals that the shift in operating temperature affects the resonance frequencies, which correspond to about 400 ng. Depending on Q, QCMs show five times deviation in the frequency response with temperature. To eliminate these environmental disturbance effects, we are planning to fabricate heater integrated QCM system and compensate environmental error from the reference QCM. We envision that our QCM sensors could have far-reaching applications for water quality monitoring system, detection of metal ion in semiconductor cleaning system, and even for airborne particle mass detection.
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dc.description.statementofresponsibility prohibition -
dc.description.tableofcontents 1. INTRODUCITON 1
2. BACKGROUND/REVIEW OF RELEVANT PREVIOUS WORK 3
2.1. Theoretical Equation for Mass Calibration of QCM 3
2.2. Previous QCM Based Particle Sensors 3
2.3. Current Limitations and 2 DOF Analysis to Verify Interfacial Loss 4
3. EXPERIMENT & THEORY 7
3.1. Fabrication of CNT Coated QCMs 7
3.2. Evaporative Deposition Method for Particle Deposition 9
3.3. Verification of CNT Layer Effect on Nucleation and Mechanisms in Formation of Particle Patterns 9
3.4. Electrospray Deposition Method for Particle Deposition 13
4. RESULTS AND DISCUSSION 15
4.1. CNT Layer Effect on Particle Pattern Formation for Ionized Droplet and Colloidal Droplet 15
4.2. Characterization of Salinity Sensors 18
4.2.1 Electro Mechanical Characterization of QCM Sensors 18
4.2.2 Reproducibility of QCM Salinity Sensors 20
4.2.3 Oscillator Integration for Closed Loop Sensing 20
4.2.4 Frequency Change with Various Concentration and Comparison with Existing Technologies 21
4.3. Electrical Characteristics of In-Liquid Solid Particle QCM Sensor 23
4.4. Verification of Environmental Disturbance Effects on QCM Sensor 24
5. FUTURE WORK 26
6. CONCLUSION 27
REFERENCES 28
APPENDIX 34
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dc.format.extent 45 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.title Direct Measurement of In-Liquid Particle Masses Using Quartz Crystal Microbalance -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/Theses.200000286458 -
dc.description.alternativeAbstract 본 논문은 QCM 기반 고 분해능 용액 내 입자 질량 측정 시스템을 보고한다. QCM은 압전 효과로 인한 표면 증착 질량에 따른 공진 주파수 변화를 보인다. 이러한 특성을 기반으로 다양한 물질의 표면 질량 분석이 가능하다. QCM 센서의 질량 측정 보정 기법으로 증착 질량과 공진 주파수 변화 간의 대표적인 관계식인 Sauerbrey 방정식이 있다. 이러한 방정식은 균일 증착 및 입자가 센서 표면에 견고히 붙어있다는 가정 조건하에 적용 가능하다. 또한, 이러한 가정 조건은 QCM의 전력 소모 및 노이즈 관점에서 안정적인 구동 특성을 보장하는 조건이기도 하다. 하지만, QCM전극부에 용액 내 입자를 이러한 조건으로 구현하는데 있어서 용액 내 입자의 복잡한 거동 및 nucleation으로 인한 입자 생성 과정에서 어려움이 존재한다. 일반적으로, 이러한 영향은 입자의 뭉침 현상 및 불균일 증착을 유발하며 QCM의 계면 흡착 계수를 크게 감소시킨다. QCM의 공진 주파수는 증착 질량 뿐만 아니라 계면 흡착 계수에 의해서 결정되므로 불안정한 계면 흡착 계수는 질량 보정 기법에 있어서 많은 오차를 유발한다. 또한, 충분하지 않은 계면 흡착 변수는 QCM의 품질 계수 (Q) 에도 큰 손실을 유발을 하여 QCM의 구동 특성에도 악영향을 미친다. 이러한 증착 과정간의 입자 생성 및 거동을 통제하기 위하여 본 연구에서는 탄소 나노 튜브 (CNT)를 코팅한다. 탄소 나노 튜브의 거친 표면 구조는 증발 과정간의 nucleation 및 입자 거동에 영향을 미치며, 이는 균일 증착 및 계면 흡착 계수의 증가를 유발한다. 결과적으로, 이러한 CNT-QCM은 Sauerbrey equation과 근사하여 정확한 보정 기법을 가능하게 하고 높은 Q를 바탕으로 넓은 범위의 질량 측정 구간 및 안정적인 구동 특성을 보인다.
또한, 본 연구에서는 입자 측정에 있어서 습도 의존적 변수를 검증하기 위하여 정전 분무 시스템 기반 입자 증착을 하였다. 본 정전 분무 입자 증착 시스템은 균일한 입자 증착 패턴을 형성하여 입자의 뭉침 현상을 억제하여 계면 흡착 계수의 손실을 막아준다. 따라서 건조한 입자의 경우에는 30 μg 이상의 큰 질량 증착에도 Q의 큰 감소 없이 구동 가능함을 확인하였다. 반면, 표면에 수분을 함유하고 입자는 액적 누적으로 인한 QCM의 구동 특성 저하를 유발한다. 또한, 25 °C - 75 °C 온도 조건에서 QCM은 400 ng의 질량에 상응하는 주파수 응답 특성을 보이며, Q 값에 따라 약 5배의 주파수 응답 차이를 보인다. 이러한 습도 및 온도 의존적 변수를 통제하기 위하여 향후 마이크로 히터 기반 QCM을 제작할 계획에 있다. 본 제안 연구는 다양한 압전 공진 기반 입자 질량 측정 시스템에 응용되어질 뿐만 아니라, 나아가 대기 입자 측정 시스템에도 적용 가능할 것으로 기대한다.
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dc.description.degree Master -
dc.contributor.department Robotics Engineering -
dc.contributor.coadvisor Hongki Kang -
dc.date.awarded 2020-02 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.citation XT.RM 장68 202002 -
dc.date.accepted 2020-01-20 -
dc.contributor.alternativeDepartment 로봇공학전공 -
dc.embargo.liftdate 2021-01-02 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Jang, Il Ryu -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kim, Hoe Joon -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kang, Hongki -
dc.contributor.alternativeName 강홍기 -
dc.contributor.alternativeName 장일류 -
dc.contributor.alternativeName Hoe Joon Kim -
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Department of Robotics and Mechatronics Engineering Theses Master

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